王奇武，周鳳星,嚴?？?/p>

(武漢科技大學 冶金自動化與檢測技術教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081)

高壓線塔是電力部門輸電線路的重要組成部分。由于我國地質條件的復雜性，受地形與線路的制約，部分輸電塔不可避免地要建立在陡峭的山體自然邊坡區(qū)域。與此同時，由于桿塔本身受到的風、雪、覆冰等破壞作用，導致塔基周圍地質長期受雨水浸泡對高壓線塔塔基的穩(wěn)定性造成了極大的威脅。目前我國除了青藏線等高海拔地區(qū)的部分線路之外，其他多數電力線路均未進行塔基的穩(wěn)定性監(jiān)測。而僅依靠常規(guī)的人工巡檢，既消耗了大量的人力成本，又無法保證及時準確地掌握野外偏遠山區(qū)輸電塔的塔基失穩(wěn)情況。因此，迫切需要建立遠程無人值守的高壓線塔塔基穩(wěn)定性無線監(jiān)測系統(tǒng)，以預防和減少事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的安全性。本文針對多個建立在山體自然邊坡的高壓塔,通過GPRS無線網絡對塔基邊坡的穩(wěn)定性進行全方位的實時無線監(jiān)測[1]，并將巖土形變數據及時快速上報至監(jiān)控中心，為電力部門進行安全維護決策以及建立后續(xù)的塔基穩(wěn)定性專家預報系統(tǒng)提供依據。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構

監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測終端和遠程監(jiān)控中心的上位機服務器組成?，F(xiàn)場監(jiān)測終端主要包括傾斜傳感器、主控制板、GPRS數據傳輸模塊、供電系統(tǒng)4部分?？紤]到輸電塔邊坡崩滑速度較慢、對測量精度要求較高等特點，本文采用國內外較為通用的鉆孔傾斜法來實現(xiàn)對巖土的多層次實時監(jiān)測。將多個傾斜傳感器埋入不同深度的巖土中，當巖土產生形變時，傳感器能夠將軸線與鉛垂線之間的夾角變量通過RS-485總線傳送給架設在高壓線塔上及以MSP430單片機為核心的主控制板上，控制板收到信息后加以簡單處理，并通過GPRS無線網絡發(fā)送給監(jiān)測中心的上位機服務器。由于野外供電不便以及電氣隔離安全要求的限制，整套系統(tǒng)采用太陽能電池板與大容量蓄電池組成的供電系統(tǒng)提供電源。上位機監(jiān)測系統(tǒng)基于Web網絡技術，采用B/S與C/S相結合的體系結構，實現(xiàn)對監(jiān)測數據管理和預警[2]。系統(tǒng)的總體工作流程如圖1所示。

圖1 GPRS系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件設計

本文所設計的無線監(jiān)測系統(tǒng)以MSP430G2553微處理器為核心,將RS-485通信技術與GPRS無線通信技術相結合[3]，利用傾斜度傳感器實現(xiàn)對巖土體深度形變的持續(xù)測量與定位。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

為了提高測量精度，系統(tǒng)選用高精度硅微式傾斜度傳感器，該傳感器基于先進的MEMS制造技術，具有抗干擾能力強、靈敏度高、溫漂極小等特點，測量范圍為±15°，分辨率可達0.001°。5路傳感器作為從機，通過RS-485串行通信接口與數據采集模塊組建簡單高效的通信網絡,通過帶隔離的增強型RS-485收發(fā)器ADM2483芯片連接到作為主機的單片機UART串口上,邏輯端采用3.3 V供電，總線端采用DC-DC電源模塊B0505為其提供5 V的隔離電源。ADM2483基于先進的iCoupler磁隔離技術，省去了外部影響轉換效率的光隔離器件，且具有熱關斷和失效保護功能，可以實現(xiàn)真正可靠的半雙工通信。硬件電路如圖3所示。

圖3 帶隔離的485通信電路原理圖

單片機模塊采用TI公司最新推出的超低功耗、高性能的16位MSP430G2系列單片機MSP430G2553,該單片機具有16位精簡指令集架構和62.5 ns指令周期時間，可以在不到1μs的時間里從待機模式超快速地喚醒。MSP430G2553工作在1.8 V～3.6 V的低電壓范圍，且具有5種低功耗運行模式，超低功耗的工作特性極大提高了光伏供電系統(tǒng)在陰雨天氣的續(xù)航能力。單片機作為前端監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心，主要作用是控制系統(tǒng)實現(xiàn)對數據的采集與處理、存儲和上傳等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模塊能夠實現(xiàn)UART功能,支持雙緩沖接收/發(fā)送和自動波特率監(jiān)測,通過USCI模塊內置的2個調制器UCBRSx和UCBRFx,采用BITCLK16進行RX采樣，能夠得到非常精準的波特率，單片機利用這個串口通過AT指令控制GPRS模塊完成數據傳輸過程。此外，由于5路傳感器需要通過UART串口和單片機之間組建RS-485通信網絡，這里利用定時器Timer_A模塊的比較捕獲功能模擬出一個軟件UART，利用捕獲功能捕捉管腳起始位的變化，并借助比較器不斷將CCRx的設定值與與定時器的計數值相比較，當兩者相等時即產生中斷，獲得精確的時間間隔。對CCRx寄存器中定時間隔做相應的設置可以得到誤差極小的通信波特率，靈活地完成串口擴展。

為了滿足監(jiān)測設備對數據采集時間點的精確記錄要求，系統(tǒng)添加了內置晶振和鋰電池的高精度串行時鐘芯片SD2405，該芯片內置高精度時鐘調整功能，無需人工校時，可以在惡劣的環(huán)境下長期可靠地工作。同時，在數據存儲方面,系統(tǒng)采用4片串行E2PROM芯片AT24C512提供2 MB的數據存儲空間,用于循環(huán)存儲60天的監(jiān)測參數，并永久保存GPRS模塊的設定參數。AT24C512采用兩線制的I2C串行接口，相比于并行操作的E2PROM更能適應電力現(xiàn)場的強干擾環(huán)境。

GPRS數據傳輸部分選用西門子公司生產的工業(yè)級雙頻模塊MC52i，由于模塊內部內嵌有TCP/IP協(xié)議棧，單片機可以直接使用AT指令集控制模塊,將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送[4]。MC52i模塊正常工作時需要的供電電壓輸入范圍是3.3 V～4.8 V，當模塊以最大功率發(fā)射時，供電電流的峰值能達到2 A。為了避免由此造成的電壓跌落導致模塊出現(xiàn)重啟等異常狀況[5]，模塊電源輸入端采用開關穩(wěn)壓芯片LM2576-ADJ作為電源芯片,并在輸出電壓端口并聯(lián)多個470μF的大電容。LM2576-ADJ是一款可調節(jié)輸出型開關穩(wěn)壓芯片，該芯片性能穩(wěn)定,輸出電流驅動能力強，最大輸出電流可達3 A,具有較強的抵抗電壓跌落的能力[6]。

3 提高系統(tǒng)可靠性的措施

由于本系統(tǒng)主要工作在長期無人維護的工業(yè)環(huán)境，因此確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。系統(tǒng)在設計時采取了多種措施以提高硬件設備對外部干擾的防護能力，并在軟件設計中通過多種自檢機制應對各方面可能出現(xiàn)的問題。

在電路設計與布局上，一方面采取多種防護措施對其進行保護,包括采用ESD芯片來提高系統(tǒng)的靜電防護能力,并針對雷擊與浪涌電壓在關鍵電路添加TVS二極管等;另一方面，在對器件布局和走線時，盡量縮短敏感回路的走線長度，并對其作鋪地處理，確保GPRS模塊和其他敏感元器件工作穩(wěn)定。

可能影響系統(tǒng)正常工作的因素有：長時間無數據傳輸導致模塊自動下線、GPRS網絡受惡劣天氣的不良影響、高壓線塔現(xiàn)場的電磁干擾、陰雨天氣造成的太陽能供電設備輸出電壓波動等[7]。這里主要采用心跳包和狀態(tài)自檢與自恢復兩種機制來提高系統(tǒng)的可靠性。

GPRS模塊通過GGSN連接Internet網絡，當模塊一段時間不進行數據傳輸時，GGSN會斷開模塊的網絡連接,從而節(jié)省信道資源。為了避免網絡中斷，系統(tǒng)設定每隔2 min向監(jiān)測中心服務器發(fā)送一小段心跳信息，以保證模塊的長期在線。針對可能造成GPRS鏈路斷開的外部干擾,系統(tǒng)設計了網絡連接狀態(tài)自檢機制，即定期向遠程監(jiān)控中心發(fā)送檢測信息，若重復幾次仍未收到應答信號，則判斷設備已掉線并立即通過AT指令重啟模塊并重新建立連接。此外，采用MSP430單片機內部自帶的看門狗以及MAX813外部硬件看門狗兩級看門狗機制來解決系統(tǒng)死機、假在線等問題，一旦單片機沒有正常接收GPRS模塊返回的信息,立即控制GPRS模塊的RESET引腳重啟模塊并恢復連接[8]。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括兩部分，一部分基于Keil軟件平臺的單片機控制程序編寫，用于控制監(jiān)測設備完成數據的采集和發(fā)送；另一部分為基于Python編程語言的上位機監(jiān)測系統(tǒng)，利用Web網絡技術和數據庫技術，建立基于Web網絡的監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數據的表單訪問和圖形化顯示。

4.1 單片機控制程序

單片機程序主要采用C語言編寫，作為數據采集與傳送設備的控制核心，單片機軟件設計主要包括系統(tǒng)初始化、與傳感器之間的485通信、數據的采集與處理、電池電量管理、時鐘芯片控制、GPRS數據傳輸控制等。本文主要介紹與GPRS模塊相關的程序設計,該部分程序實現(xiàn)的主要功能包括GPRS模塊的初始化操作和GPRS數據業(yè)務的操作。

MSP430單片機通過串口發(fā)送AT指令控制GPRS模塊的各項操作，模塊開機初始化之后，與監(jiān)測中心建立鏈路連接并按設定格式傳送GPRS數據包。模塊每執(zhí)行一條指令，均會向單片機返回一小段返回值，包括響應信息和結果碼，以表明當前執(zhí)行情況，單片機根據返回信息來控制模塊的工作進程。程序流程圖如圖4所示。

圖4 GPRS程序流程圖

4.2 上位機監(jiān)測系統(tǒng)

上位機監(jiān)測系統(tǒng)采用Python語言開發(fā)，Python是一種純面向對象的程序設計語言，具有高度的擴展性和較高的開發(fā)效率。上位機監(jiān)測系統(tǒng)利用Apache服務器、XBOP應用服務器和Postgre SQL數據庫,主要實現(xiàn)三部分的功能:(1)基于TCP/IP協(xié)議的數據接收;(2)通過網頁對塔基傾斜數據的實時監(jiān)控;(3)提供表單形式的歷史監(jiān)測數據查詢，為監(jiān)控人員分析塔基邊坡巖土運動規(guī)律提供方便。監(jiān)測界面如圖5所示。

經過實際運行，基于GPRS的塔基穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)對高壓線塔塔基邊坡的實時監(jiān)測，極大降低了人工巡視的人力成本，提高了監(jiān)測和管理效率。隨著我國智能電網建設的不斷發(fā)展，輸電線路的穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)已經成為電力部門提升輸電線路精益化管理水平的重要技術手段。同時，以傾斜度傳感器為基礎的監(jiān)測預警系統(tǒng)在工業(yè)或民用建筑的變形、傾斜等其他方面也有較好的應用前景。

[1]李輝,苑臣芒,馬曉鑫.基于 AVR MCU與GSM/GPRS的航標燈監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電子技術應用，2012,38(6):97-99.

圖5 上位機監(jiān)測界面

[2]龔劍,歐陽治華.基于Web網絡技術的礦山安全預警系統(tǒng)及應用[J].金屬礦山，2010(10):151-152.

[3]薛琳,魏蘭磊,朱述川,等.基于GPRS和RFID技術的門禁控制系統(tǒng)[J].電子技術應用，2012,38(6):145-148.

[4]易玲芳,呂濤,周燕媚,等.基于GPRS的電力遠程監(jiān)管系統(tǒng)設計[J].儀器儀表學報，2006,27(3):2554-2557.

[5]趙明富.基于GSM/GPRS的變電站遙控系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2005,25(8):81-83.

[6]楊智敏,侯傳教,劉霞.單片式開關穩(wěn)壓器LM2576-ADJ及其應用[J].移動電源與車輛，2004(1):33-34.

[7]盧剛,程顯蒙.基于GPRS和AT89C52的遠程電力監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].自動化儀表，2008,29(11):40-42.

[8]湯國鋒,劉猛,黃衛(wèi)佳,等.雙軸傾斜角度測量系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(12):83-85.